大概念統領下單元復習課的教學設計與思考
——以“碳和碳的氧化物”復習為例

任 慧 莊 山

（南京市科利華中學 江蘇南京 210009）

《義務教育化學課程標準（2022 年版）》［1］指出：“基于大概念的建構，整體設計和合理實施單元教學，注重啟發式、互動式、探究式教學，引導學生自主學習，開展以化學實驗為主的多樣化探究活動；創設真實問題情境，倡導‘做中學’‘用中學’‘創中學’，開展項目式學習，重視跨學科實踐活動?！币罁n程標準，在設計核心素養導向下、大概念統領下的單元復習課，可以讓學生在核心素養提高的同時，提高他們的社會責任感，實現學科育人；同時也能使學生形成化學觀念、發展科學思維。下面以人教版九年級化學上冊第六單元“碳和碳的氧化物”的復習為例，探究大概念統領下的單元復習課的教學設計策略。

一、單元內容及教學主線

本單元的知識模塊主要包括3部分：碳單質、碳的氧化物、二氧化碳制取的研究，其主要特點是物質種類多、物質轉化多、研究物質的實驗多、涉及的化學概念多、與生活和環境的聯系多。

1.大概念和學習內容

《義務教育化學課程標準（2022 年版）》提出：“每個學習主題圍繞大概念選取多維度的具體學習內容，既包括核心知識，又包括對思維方法、探究實踐和情感態度價值觀等方面的要求，充分發揮大概念對實現知識的結構化和素養化的功能價值”［2］。依據課標要求，本單元大概念及其統領下的學習內容如表1所示。

表1 “碳和碳的氧化物”的大概念統領下學習內容

2.學生學情和核心素養

在新授課學習中，學生能從物質元素組成的角度初步認識多種含碳物質，但并不能從化合價、微觀結構等多角度分析、認識含碳物質；通過教材中的“實驗探究”的學習，學生已初步認識了有關碳單質、碳的化合物的相關性質及發生的化學變化，但利用化學反應實現物質轉化的科學思維未能得到發展，也未真正形成“物質化學變化”的化學觀念［3］。學生在前面的學習中未充分開展自主學習活動，與同學交流合作的學習機會較少，未能充分提升自主、合作、探究的能力。本單元含碳物質與自然、科學、技術、環境等有著密切的關系。在前面的學習中學生對社會熱點如“碳中和與碳達峰”的問題并沒有充分的討論和價值判斷，學生對社會可持續發展的認識比較膚淺，未充分樹立責任擔當的意識。

3.設計理念和教學主線

基于學習內容與學生學情和素養分析，本單元復習課的教學設計的理念是從物質類別的角度分析含碳物質的性質，根據含碳物質的性質認識含碳物質的轉化，在轉化中提高自己的科學探究能力，在科學、技術、社會、環境產生的相關問題中提升解決問題的能力，感悟常見含碳物質的應用對社會發展的價值、對環境的影響，能有意識運用所學的知識或尋求相關證據參與社會性議題的討論，增強其社會責任感。依據設計理念，本單元復習課中的教學主線見圖1。

圖1 “碳和碳的氧化物”復習課課堂教學主線

二、教學目標

根據課程標準的內容要求、學業要求和學業質量標準，并圍繞大概念對實現知識的結構化和素養化的功能價值，制定如下教學目標。

（1）通過搜索含碳物質，利用作圖法、比較法認識含碳物質的組成和結構；依據物質的組成和結構進一步分類認識物質，認識物質的多樣性，進而提高對“物質的組成”大概念的認識。

（2）通過探究驗證物質中含有碳元素的方法，利用物質變化及變化中元素守恒的視角認識含碳物質的化學變化及轉化，初步形成認識化學反應的系統思維意識，建立驗證物質中含碳元素的方法模型，從而深化“物質的變化和轉化”大概念的理解。

（3）通過操作化學實驗，認識實驗的重要性，學會在不同實驗中選擇正確裝置的基本技能，初步形成化學實驗探究的一般思路與方法，真正讓學生在“做中學、創中學”中發展自己的科學思維，強化自己的創新意識，增進對“化學科學本質”大概念的感悟。

（4）通過分析社會議題——海水酸化、碳中和，進一步認識二氧化碳對自然、社會的影響，理解科學、技術、社會、環境的相互關系；認識物質變化規律在解決與環境、人類健康等相關的問題中的作用，體會化學是推動人類社會可持續發展的重要力量，最終為踐行“化學與可持續發展”大概念提供土壤［4］。

三、教學過程

1.含碳物質大搜索，感受物質多樣性

活動1：尋找含碳物質并分類。

［教師提問］除了我們在前面的學習中認識的含碳物質外，生活、自然界中還有很多含碳物質，請大家找出視頻中的含碳化合物，并在價類圖上寫出化學式。

［情景建構］播放《豐富多彩的含碳物質》的視頻。

［學生活動］認真觀看、快速回憶，寫出剛才播放的視頻中所呈現的含碳物質的化學式，并進行小組交流、評價，最后將視頻中出現的含碳物質書寫在價類圖的對應位置上（見圖2）。

圖2 碳元素的價類圖

［教師提問］炭黑、焦炭、活性炭為什么沒有出現在價類圖上？

［學生回答］因為它們都屬于混合物，只是主要成分為碳單質。

［教師提問］為什么沒有出現金剛石、石墨？

［學生回答］出現了。它們都屬于碳單質，用元素符號C來表示。

［情景建構］展示金剛石、石墨、碳納米管、石墨烯、石墨炔、T-碳等物質的結構（見圖3）。

圖3 碳家屬成員的結構

［教師提問］他們放在價類圖什么位置呢？是否屬于同種物質，原因是什么？

［學生回答］都是碳單質。放在C60同一位置。因為它們的碳原子排列方式不同，屬于不同的碳單質。

［教師提問］你認為判斷屬于同種物質的重要依據是什么？

［學生回答］組成和結構相同的物質是同一種物質。

［情景建構］展示“科技前沿”——中國T-碳的設計與合成（見圖4）；請根據提供的材料，尋找最新的含碳物質，思考含碳物質越來越多的原因是什么？［5］

圖4 科技日報內容展示

［學生回答］T-碳；含碳的物質可以進行人工合成，所以含碳物質也會越來越多的。

［教師小結］越來越多的碳單質的出現，正是物質多樣性的體現。人們除了合成碳單質外，還合成了許許多多的含碳物質，如塑料、合成橡膠、合成纖維等。

［師生小結］常見的含碳物質。單質：金剛石、石墨、碳-60、T-碳等?；衔铮阂谎趸?、二氧化碳、碳酸鈉、碳酸鈣、碳酸等。其他含碳物質：塑料、橡膠、纖維等。

設計意圖：通過對視頻、科技前沿等信息資源中含碳物質的尋找，促進學生較全面地認識物質種類，深化學生對“物質多樣性”大概念的理解。通過從微觀結構判斷物質種類和完成價類圖等活動，學生學會對物質從元素組成、元素化合價、物質構成等多角度進行分類的方法，鞏固“物質的組成”大概念。另外，通過對中國T-碳研究的了解，讓學生認識科技力量與化學知識的相互關系，增進學生社會責任感，從而促進學生科學素養的提高。

2.驗碳過程大探究，理解變化和本質

活動2：驗證碳單質中含有碳元素。

［情景建構］出示兩支石墨棒。

［教師提問］如何設計實驗證明石墨棒中含有碳元素？

［學生活動］小組討論，合作完成實驗方案的設計。

［教師小結］同學們設計的實驗方案大多是將石墨在氧氣中點燃，將燃燒后產生的氣體通入澄清石灰水中。反應的化學方程式為

［教師提問］該實驗方案的可操作性如何？請驗證。

［學生活動］小組討論，合作分析，并進行實驗。

［學生回答］實驗方案在實施時，發現石墨在盛有O2的集氣瓶中燃燒后，無法將氣體通入澄清石灰水中，應選擇將適量澄清石灰水倒入集氣瓶中振蕩。

［教師小結］驗證碳元素存在的原理是碳單質和氧氣發生化學反應，生成二氧化碳，再由二氧化碳和澄清石灰水反應生成碳酸鈣，即溶液中出現渾濁來驗證碳元素的存在。

［教師提問］根據碳單質的化學性質，你認為除了O2可使碳單質變為CO2，還有其他方式嗎？

［教師小結］物質的性質決定物質的變化，所以考慮物質變化時一定要從物質性質入手，另外設計實驗方案時還要考慮實驗的可操作性，選擇合適的裝置。

［師生小結］驗證碳單質中含有碳元素的實驗方法：將碳單質和氧氣或氧化銅反應，生成二氧化碳，再由二氧化碳和澄清石灰水反應生成碳酸鈣，觀察溶液中出現渾濁來驗證碳元素的存在。

設計意圖：通過證明石墨（碳單質）中含有碳元素的實驗設計活動，加深對物質性質決定變化的基本觀念的認識，為后面含碳物質的轉化做好鋪墊。本活動師生一起設計C→CO2→CaCO3的實驗方案，教師引導學生從得氧、失氧角度鞏固氧化還原反應的知識，促進學生對物質的結構、性質和轉化關系的理解，最終深化學生對“物質的化學變化”大概念的理解。

活動3：驗證含碳化合物中含有碳元素。

［情景建構］將學生分成4 組，每組提供裝有CO、家用天然氣（CH4）的集氣瓶、裝碳酸飲料的飲料瓶、裝有雞蛋殼的廣口瓶各一件，并提供澄清石灰水、稀鹽酸等必要的實驗藥品及器材［6］。

［教師提問］根據上面所學的方法，思考如何證明一氧化碳、二氧化碳、家用天然氣（CH4）、碳酸飲料中含有碳元素呢？請自主設計實驗方案。

［學生活動］梳理含碳物質的類別和對應的化學性質，自主設計實驗方案、自行進行實驗、記錄實驗現象并完成實驗報告。

［學生活動］分小組交流（如表2所示），相互評價。

（39） 鈍 角 頂 苞 苔 Acrobolbus ciliatus（Mitt.）Schiffn. 熊源新等（2006）；楊志平（2006）

表2 學生各小組交流內容

［教師提問］除了以上驗證碳元素存在的方法外，還有沒有別的方法？

［學生回答］利用CO的還原性，將CO通過灼熱的CuO，再將生成的氣體通入澄清石灰水。

［教師講解］設計思路正確，但CO 是在集氣瓶中無法將其通過灼熱氧化銅，所以需要改進實驗操作。

［教師提問］能否將灼熱的氧化銅放入盛于CO的集氣瓶中呢？

［學生回答］將一根銅絲，在酒精燈上加熱變黑后，立即插入盛有CO 的集氣瓶中，多次操作后，再倒入少量澄清石灰水。

［學生實驗］將一根銅絲，在酒精燈上加熱變黑后，立即插入盛有CO的集氣瓶中，觀察到銅絲又變成紅色，多次操作后，再倒入少量澄清石灰水。觀察到澄清石灰水變渾濁。

［師生小結］驗證物質中含有碳元素的方法：首先，梳理被檢測物質的性質，其次，利用其化學性質，發生化學變化后，將其轉化為CO2，最后利用CO2能使澄清石灰水變渾濁的特性來驗證該物質中含有碳元素。

設計意圖：通過實驗設計、實驗操作、小組評價、師生討論等，讓學生在活動中進一步加深對物質性質和變化的理解，歸納并掌握驗證碳元素存在的方法和一般思路。在該環節中，學生還從探究實驗中較全面地分析物質的化學變化，體現“做中學”的教學理念，發展了“科學思維”的同時還提升了科學探究的核心素養。

活動4：選擇驗證物質中含有碳元素的實驗裝置。

［教師提問］除了在剛才的實驗中我們使用的裝置外，還可以使用哪些實驗裝置？

［學生活動］畫出實驗裝置圖，并展示交流。

［教師活動］抽取部分學生設計的實驗裝置圖進行投屏（見圖5）。

圖5 學生設計的實驗裝置圖

［師生小結］驗證碳酸飲料中含碳元素的實驗裝置還可以用固液常溫型發生裝置A，也可以用加熱型裝置B來促進碳酸的分解；驗證雞蛋殼中含有碳元素的裝置可以用微型實驗裝置C（在培養皿內的小槽中滴入2 滴澄清石灰水，另一邊放入幾片碎雞蛋殼，滴入幾滴稀鹽酸后，蓋上蓋子）；驗證二氧化碳存在時，也可用裝置D（燒杯壁上沾有澄清石灰水）。

［教師活動］引導學生根據實驗目的反思實驗裝置的優缺點，總結裝置選擇的方法。

［學生活動］選擇部分裝置進行實驗，并觀察現象。

［教師講解］使用天然氣時，鍋底會出現黑色的炭黑，這也說明天然氣中含有碳元素。我們也可以通過不充分燃燒生成的炭黑來驗證有機物中含碳元素的方法確定。

設計意圖：通過開展實驗操作活動，提升學生科學實踐和實驗操作的能力；通過實驗裝置的選擇，提升學生的實驗探究能力，真正地讓“化學科學本質”大概念落地。另外，通過微型實驗裝置的設計，讓學生踐行綠色化學的思想，體現“創中學”的教學理念?；瘜W學習離不開實際生活，通過生活中的實例，讓學生感受到學有所用。

3.除碳方法大匯總，鞏固轉化大概念

活動5：探究二氧化碳的吸收方法。

［教師提問］除了生活中含碳物質的轉化外，我們自然界中的含碳物質也在晝夜不停地發生轉化，同學們能想到自然界中含碳物質的變化嗎？

［學生回答］植物的光合作用，CO2→C6H12O6；植物的呼吸作用C6H12O6→CO2。

［教師提問］除此之外，在這兩個過程中二氧化碳還能與大氣中的哪種氣體實現轉化呢，該循環對自然界有何意義呢？

［學生回答］氧氣。該循環的意義是維持大氣中二氧化碳和氧氣的相對平衡，使大氣中各氣體含量相對穩定。

［教師提問］自然界中除了植物的光合作用能吸收CO2外，小組討論、思考還有什么途徑能吸收CO2？

［學生回答］海水吸收二氧化碳。

［教師提問］海洋是地球上最大的儲水庫，其儲水量約占全球總儲水量的96.5%，海水是不是可以大量吸收二氧化碳呢？

［學生回答］海水肯定能吸收很多，而且根據海水的量可推測它對CO2的吸收肯定能大大降低大氣中CO2的量。

［教師提問］大家查閱教材判斷CO2是否可以無限制溶解在水中與水反應呢，如果大量吸收CO2對海洋生物有怎樣的影響呢？

［學生回答］在常溫常壓下，1 體積水中可溶解1體積二氧化碳，大量的二氧化碳溶于水會導致海洋酸化，影響海洋生物的多樣性。

［教師講解］如果大氣中排放大量二氧化碳，對大氣、對海洋都會有怎樣的影響呢？一起看來聆聽氣候會議中專家的解答（見圖6）。

圖6 世界氣候會議題議

設計意圖：化學離不開生活，更離不開大自然，這個環節達到實現跨學科學習的目的，讓學生感受到生物和化學在研究、探究自然中的價值，更重要的是引導學生能從內因和外因、量變與質變等方面較全面地分析物質的化學變化，還能用對立統一、聯系發展和動態平衡的觀點思考、分析化學反應，這是“科學思維”的核心內容，真正地讓學生進行跨學科實踐，促進大概念“化學與跨學科實踐”的內化。

活動6：踐行“雙碳”理念。

［教師講解］目前CO2排放量很多，對自然生態系統、人類的生活環境產生極大的影響。習近平主席在2020年提出了“碳中和與碳達峰”理念，根據課前對該理念的了解，思考2020 年后全球CO2含量的走勢（見圖7）。

圖7 2020年后全球二氧化碳濃度的三種走勢猜想

［學生活動］學生閱讀并思考，試著用作圖法表示可能的變化，小組討論思考的成果。

［教師提問］要解決CO2排放問題，我們的宗旨是將CO2轉化為其他物質，你能設計出多少種二氧化碳的轉化方法呢？試著用概念圖的方式表示出來。

［學生回答］根據今天實驗探索中所習得的物質間轉化方法，用概念圖的形式表示出來（見圖8）。

圖8 物質轉化圖

［教師提問］你們想到了用堿液吸收、植樹造林等方法，還有其他更好的方法嗎？咱一起看看科學家怎么做的（見圖9），根據科學家的研究成果，來談談你們的感受。

圖9 二氧化碳的利用

［學生回答］將CO2變為燃料油，變廢為寶，還可以循環利用。我們可以將CO2收集起來，然后再利用。

［教師小結］回答得非常好，這就是我們今后要認識的CO2捕捉與利用技術。通過今天的學習，請完成一篇微寫作。主題是作為社會一員，有何方法能緩解或改變二氧化碳的排放，讓我們的環境和生態能綠色地運行？題目自擬，形式最好圖文表結合，字數500字以內。

［教師講解］物質的轉化方法有很多，隨著不斷學習，我們還將認識更多的物質，物質的轉化也會更加的豐富，相信有一天，你們也會像科學家一樣預測并實現在一定條件下物質可能發生的化學變化。

設計意圖：通過學習化學知識，學生認識并參與社會政治的決策，培養學生的社會責任感，通過化學與生活、自然的聯系，實現學科融合，從而實踐學科育人的理念。除此之外更重要的是讓學生廣視角地認識物質的變化及變化的條件，讓學生體會解決環境問題的方法，最終提高“科學思維”的核心素養。

四、創新與反思

1.強化化學觀念的形成、科學思維的發展

本節單元復習課通過多樣的活動、自主實驗探究等多種方式對含碳物質的分類、含碳物質的性質及含碳物質間轉化等化學觀念進行了深入的強化，在強化過程中，帶領學生基于事實和邏輯進行獨立思考和判斷，學會了多種科學思維方法，比如分類、分析、比較等，這些方法對學生科學思維的發展起到了重要的作用。不管是化學觀念的強化還是科學思維的發展，最終都是促進學生對化學學科大概念的理解。

2.注重學生自主的科學探究與實踐

聯系生活，在真實的問題情景中選擇有意義的探究問題，引導學生經歷真實的探究過程，加強探究活動中的科學思維。在驗證碳元素方法探究中，學生建構了物質轉化的一般方法，初步建立了驗證元素的模型，增進學生對化學科學及科學探究本質的理解，在自主科學探究中，學生還根據不同問題創新實驗裝置，真正實現了“做中學”“創中學”。

3.充分發揮了化學學科育人的功能

結合生產生活、社會發展、科技進步等方面的典型事例，引導學生認識化學科學在創造新物質、應對人類面臨的重大挑戰中的作用，彰顯化學家作出的創新性貢獻和展現出的科學家精神，增進了社會責任感。學生的思維方式從知識走向學科，從低階走向高階，核心素養有了較大的提升，尤其是“科學思維”有了進一步的發展，讓學生真正地感受到了化學與生活、自然、科技的聯系，更加高層次的認識物質的變化及意義。此外通過實驗方案、實驗裝置的設計與優化，提升了學生科學探究的能力，踐行了綠色化學的理念［7］。

由于課時的安排，本節課沒有更多地引導學生從定量的角度分析二氧化碳的吸收和轉化，也沒有關注到變化中的能量變化。另外，本節課主要讓學生通過兩個實驗探究完成驗證含碳元素的方法總結，時間允許的情況下還可以再增加一些有效的實驗探究，讓學生真正地從做中學，從學中思，更有效地實現學科育人。